En förenklad representation av ett enhetligt fasdiagram som visar en ordnad antiferromagnetisk fas (grå) och en störd paramagnetisk fas (blå) som beskriver det korrelerade elektroniska beteendet för tunga fermioner och andra kända typer av kvantmaterial. Forskare från Rice University, Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids och Chinese Academy of Sciences använde en kombination av geometrisk frustration, tryck och magnetfält för att driva en legering av ceriumpalladium och aluminium över ett område (grönt) där fysiker tidigare bara hade kunnat spekulera om reglerna som styr elektronbeteende. Upphovsman:Rice University
Rice University fysiker Qimiao Si började kartlägga kvantkritik för mer än ett decennium sedan, och han har äntligen hittat en resenär som kan passera den sista gränsen.
Resenären är en legering av ceriumpalladium och aluminium, och dess resa beskrivs i en studie som publicerades online den här veckan Naturfysik av Si, en teoretisk fysiker och chef för Rice Center for Quantum Materials (RCQM), och kollegor i Kina, Tyskland och Japan.
Si:s karta är en graf som kallas ett fasdiagram, ett verktyg som fysiker av kondenserad materia ofta använder för att tolka vad som händer när ett material ändrar fas, som när ett fast isblock smälter i flytande vatten.
Regionerna på Si:s karta är områden där elektroner följer olika regler, och papperet beskriver hur forskarna använde det geometriska arrangemanget av atomer i legeringen i kombination med olika tryck och magnetfält för att ändra legeringens väg och föra den in i ett område där fysiker bara har kunnat spekulera om reglerna som styr elektronbeteende .
"Det är hörnet, eller portion, av denna vägkarta som alla verkligen vill komma åt, "Si sa, pekar på den övre vänstra sidan av fasdiagrammet, högt upp på den vertikala axeln märkt G. "Det har tagit en enorm ansträngning för samhället att titta igenom kandidatmaterial som har funktionen geometrisk frustration, vilket är ett sätt att inse detta stora G. "
Frustrationen härrör från arrangemanget av ceriumatomer i legeringen i en serie liksidiga trianglar. Kagome -gitterarrangemanget heter så på grund av dess likhet med mönster i traditionella japanska kagome -korgar, och det triangulära arrangemanget säkerställer att snurrar, elektronernas magnetiska tillstånd, kan inte ordna sig som de normalt skulle under vissa förutsättningar. Denna frustration gav en experimentell hävstång som Si och hans medarbetare kunde använda för att utforska en ny region i fasdiagrammet där gränsen mellan två välstuderade och välförstådda tillstånd-det ena präglat av ett ordnat arrangemang av elektronspinn och det andra med störning - divergerade.
Qimiao Si är Harry C. och Olga K. Wiess professor vid Rice Universitys institution för fysik och astronomi och chef för RCQM, Riscentret för kvantmaterial. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
"Om du börjar med en beställd, antiferromagnetiskt mönster av snurr i en upp-ned, upp-ner-arrangemang, det finns flera sätt att mjukna upp detta hårda mönster av snurr, "sa Si, Harry C. och Olga K. Wiess professor vid Rices institution för fysik och astronomi. "Ett sätt är genom koppling till en bakgrund av ledningselektroner, och när du ändrar villkor för att förbättra denna koppling, snurrarna blir mer och mer förvirrade. När krypteringen är tillräckligt stark, det beställda mönstret förstörs, och du hamnar med en oordnad fas, en paramagnetisk fas. "
Fysiker kan planera denna resa från ordning till oordning som en rad på ett fasdiagram. I exemplet ovan, linjen skulle börja i ett område märkt "AF" för antiferromagnetisk fas, och fortsätt över en gräns till en närliggande region märkt "P" för paramagnetisk. Gränsövergången är den "kvantkritiska punkten" där miljarder på biljoner elektroner samverkar, anpassa sina ståndpunkter för att överensstämma med reglerna för den regim som de just har angett.
Si är en ledande förespråkare för kvantkritik, en teoretisk ram som försöker beskriva och förutsäga beteendet hos kvantmaterial i förhållande till dessa kritiska punkter och fasförändringar.
"Vad den geometriska frustrationen gör är att förlänga processen där spinnordningen blir mer och mer ömtålig så att det inte längre bara är en punkt som systemet passerar igenom på vägen till att vara oordning, "sa han." Faktum är att den punkten delar sig i en separat region, med tydliga gränser på båda sidor. "
Si sa laget, som inkluderade motsvarande författare och RCQM-partners Frank Steglich från Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids i Dresden, Tyskland och Peijie Sun från Chinese Academy of Sciences i Peking, utförde experiment som gav bevis för att aluminiumlegeringen av ceriumpalladium genomgår två gränsövergångar.
Fysiker har utfört många experiment för att se hur olika material beter sig i den ordnade fasen där legeringen började sin resa och i den störda fasen där den slutade, men Si sa att detta är de första experimenten för att spåra en väg genom den mellanliggande fasen som möjliggörs av en hög grad av geometrisk frustration.
Han sa att mätningar av legeringens elektroniska egenskaper när de passerade genom regionen inte kunde förklaras av traditionella teorier som beskriver metals beteende, vilket betyder att legeringen betedde sig som en "konstig" metall i mysteriet territorium.
"Systemet fungerade som en slags snurrvätska, om än en metallisk, " han sa.
Si sa att resultaten visar att geometrisk frustration kan användas som en designprincip för att skapa konstiga metaller.
"Det är viktigt eftersom de ovanliga elektroniska excitationerna i konstiga metaller också är de underliggande exotiska egenskaperna hos andra starkt korrelerade kvantmaterial, inklusive de flesta högtemperatur superledare, " han sa.